Een internationaal onderzoeksteam produceerde een analoog van een solid-body kristalrooster van polaritonen, hybride foton-elektron quasideeltjes. In het resulterende polaritonrooster, de energie van bepaalde deeltjes is niet afhankelijk van hun snelheid. Tegelijkertijd, de geometrie van het rooster, deeltjesconcentratie en polarisatie-eigenschappen kunnen nog worden gewijzigd. Dit opent nieuwe perspectieven voor de studie van kwantumeffecten en het gebruik van optische computers. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Een vast lichaam wordt gevormd rond een kristalrooster gevormd door atoomkernen. Roostergeometrie kan de relatie tussen de energie en snelheid van een deeltje beïnvloeden. Roosters zijn onderverdeeld in verschillende soorten op basis van hun geometrische eigenschappen. Sommigen van hen, zoals het Lieb-rooster, hebben zogenaamde platte banden:een toestand waarin deeltjes helemaal geen energie-snelheidsrelatie vertonen. Formeel gezien, deeltjes in platte banden hebben een oneindige effectieve massa.

Flat bands zijn van groot belang voor de fundamentele wetenschap. Ze worden gebruikt om supergeleiders te bestuderen, ferromagneten en andere kwantumfasen in elektronen. Echter, kwantumfasen kunnen ook worden waargenomen in lichte elementaire deeltjes - fotonen. Dit vereist het creëren van een zogenaamd fotonisch kristal met instelbare geometrie, een kunstmatige fotonische analoog van een vast lichaam. Dergelijke omstandigheden stellen wetenschappers in staat om verschillende kwantumeigenschappen van deeltjes veel gemakkelijker te observeren en te beheren.

Natuurkundigen van ITMO University en University of Sheffield hebben een fotonisch analoog van een Lieb-rooster gemaakt en bevestigd dat kwantumeffecten in een fotonische structuur inderdaad sterker zijn. "Strikt gesproken, we hadden te maken met polaritonen in plaats van fotonen, " legt Dmitry Kryzhanovsky uit, senior onderzoeker aan de ITMO University en professor aan de Universiteit van Sheffield. "Deze hybride toestand doet zich voor wanneer geëxciteerde elektronen zich vermengen met fotonen. Dergelijke hybride deeltjes interageren met elkaar, net zoals elektronen dat doen in een vast lichaam. We gebruikten polaritons om een ​​kristalrooster te maken en bestudeerden hun nieuwe eigenschappen. Nu weten we hoe polaritons condenseren in platte banden, hoe hun interactie de stralingssymmetrie verbreekt en hoe hun spin- of polarisatie-eigenschappen veranderen."

Omdat polaritons hun spinrotatie continu behouden, wetenschappers kunnen polarisatie nu lange tijd waarnemen. Verder, gemakkelijke controle over polaritonconcentratie in het rooster biedt meer opties voor nauwkeurig beheer van het systeem.

"Vanuit een fundamenteel oogpunt, polaritonkristallen zijn interessant omdat ze een grote verscheidenheid aan kwantumfasen en effecten bieden die we niet in standaardkristallen kunnen bestuderen, " zegt Ivan Shelykh, hoofd van het International Laboratory of Photoprocesses in Mesoscopic Systems aan de ITMO University. "Polarisatie kan dienen als een informatieopslagelement. Alle berekeningen zijn gebaseerd op een binair systeem. Er moet 0 en 1 zijn. dus om optisch computergebruik te implementeren, hebben we twee overeenkomstige toestanden nodig. Polarisatie, rechts en links, met een aantal tussencombinaties, is een ideale kandidaat voor informatieverwerking op kwantumniveau."

Een grote bijdrage aan de creatie en studie van de polariton kristalroosters werd geleverd door medewerkers van de Universiteit van Sheffield. Professor Maurice Skolnick uit Sheffield leidt samen met Ivan Shelykh een megagrantproject over hybride toestanden van licht. "Alle experimenten werden uitgevoerd in Sheffield, terwijl theoretische modellering en analyse van de resultaten werden gedaan aan de ITMO University, ", zegt Shelykh. "Ik beschouw dit werk als een goed voorbeeld van hoe wetenschap eruit zou moeten zien. Resultaten van een experiment zijn onbegrijpelijk als ze zonder enige interpretatie worden gepubliceerd. evenzo, ruwe theorie met onrealistische parameters is in de praktijk moeilijk toe te passen. Maar hier combineerden we theorie met experiment - en we zijn van plan om het op deze manier te blijven doen. Ons volgende doel is om de topologische randvoorwaarden van zo'n rooster te verkrijgen en te onderzoeken."